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バイアス回路とは何か?その必要性について何か分かることがありましたら教えてください

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A 回答 (3件)

[バイアス回路とは何か?その必要性について]ということですね。


説明が長くなりますので概略と参考例で説明します。
「[バイアス回路とは何か?」
回答:トランジスターなどの能動素子を動かすための回路です。
   普通は直流的な動作点を出すために使います。
「その必要性について]
回答:バイアス回路がなければトランジスターは、線形交流増幅器として
   動作しません。ダイオードなども同じです。

参考例(エミッター接地トランジスター回路の場合)
 トランジスターのベースにバイアス回路をつけます。一番簡単なバイアス
回路ですと、抵抗2を直列に電源(V)ボルトとアースの間につなぎます。
抵抗2本(R1、R2)の接続点とトランジスターのベースをつなぎます。
トランジスターのエミッターとアース間に抵抗REをつなぎます。トランジスターのコレクターと電源に負荷抵抗RLをつなぎます。
そうするとベース電圧は、(V・R1/R1+R2) ボルトなります。この電圧をベースバイアス電圧といいます。
エミッターの電圧はベースバイアス電圧から0.7V下がった電圧になり、
{(V・R1/R1+R2)-0.7}これをエミッター抵抗REでわったものがエッミター
電流IE ですね。コレクター電流IC≡IE ですからコレクター電圧VCは
VC=V-{(V・R1/R1+R2)-0.7}RL/RE になります。
つまり、バイアス回路がないとコレクター電圧VCがでないのですね。
2本の抵抗の接続点にコンデンサーCcをつないで交流信号を印加すると
コレクターから(RL/RE)倍の交流電圧出力が出てきます。
というようにバイアス回路は電子回路で大変重要な役割を果たしています。
参考になったかな。
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この回答へのお礼

詳しい説明ありがとうございます
とても参考になりました

お礼日時:2002/11/15 12:56

No.1のかたの回答に補足します。


まず、バイアスとは(偏倚・・昔の言葉で「ずらす」と言う意味です)
参考URLを見てください。グラフがごちゃごちゃしていますが1つだけ見てください。
X軸はVBE(エミッタ-ベース間電圧)、Y軸はIB(ベース電流)です。
X軸の左下は入力(VBE)波形が3つあります。
X軸の右上は出力(IB)波形が2つあります。

詳細は省略しますがX軸-Y軸間の右上がりの線が静特性曲線です。

1番左の入力を入れるとX軸上の出力が出ます。しかし、IBには負は無いので下側が切れて
正常な増幅が出来ません。

1番右の入力を入れると1番右の出力が出ます。この場合は正常な増幅が出来ます。

この差はどこからくるかと言うと、VBEが右にずらしてあるためです。
VBEのずらし方でIBの無駄な電流を制御する事も可能です。
このようにVBEををずらす事がバイアス、ずらした電圧がバイアス電圧です。

VBEをずらすために、固定バイアス方式と自動バイアス方式の2つの方式があります。
ここでは説明しませんが、No.1の方はこれをごっちゃにして説明されています。
前半が固定バイアス方式、後半が自動バイアス方式の説明です。
記号を使った説明がたくさんありますが、図が無いのはつらいですね。

参考URL:http://ssro.ee.uec.ac.jp/lab_tomi/cct/onepoint/b …
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あまり自信がないのですが・・・答えさせていただきます。


トランジスタを動作させるために供給する直流電源をバイアスといって
直流電源を与える回路をバイアス回路って昔,習った記憶があります。
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Q固定バイアス回路と自己バイアス回路について

固定バイアス回路については安定度が悪いという特徴が記載されているのですが、なぜ悪いのでしょうか。悪いという説明はどのようにしてすればよいのでしょうか。
また、自己バイアス回路について出力信号の位相が入力信号から180°反転するとの記載があるのですが、なぜ(どのようにして)反転するのでしょうか。また、この反転は自己バイアス回路だけでなく、固定バイアス回路でも同様に反転するのでしょか。

Aベストアンサー

トランジスタの増幅回路での質問として回答します。

トランジスタなど増幅素子は温度係数があり、環境や自己発熱で温度が変化します。
この変化で動作点や増幅度が変化するのを前提とします。

1.単純な固定バイアス回路に対して、自己バイアス回路は負帰還が掛かり動作点が補正されます。--よって固定バイアス回路は安定度が悪いとされています。・・・・

2.だだし、自己バイアス回路は安定度に対して十分ではなく、回路の応用性に制限が伴い固定バイアス回路に下記の処置で安定度と応用性を拡大しています。

2.1エミッタとグランド間に抵抗入れて、自己バイアス回路を形成し負帰還を掛けています。---こちらが一般的で固定バイアス回路と組み合わせます。

2.2コレクタとべース間にバイアス用抵抗を入れる負帰還は動作範囲が狭いので応用性が低いです。

3.入力信号から180°反転するとのは、トランジスタなど増幅素子の常で自己バイアス回路だけでなく、固定バイアス回路でも同様に反転します。

3.1入力信号の電流変化がコレクター電流の変化になりますので、出力電圧は電圧降下変化なので入力信号から180°反転となります。

トランジスタの増幅回路での質問として回答します。

トランジスタなど増幅素子は温度係数があり、環境や自己発熱で温度が変化します。
この変化で動作点や増幅度が変化するのを前提とします。

1.単純な固定バイアス回路に対して、自己バイアス回路は負帰還が掛かり動作点が補正されます。--よって固定バイアス回路は安定度が悪いとされています。・・・・

2.だだし、自己バイアス回路は安定度に対して十分ではなく、回路の応用性に制限が伴い固定バイアス回路に下記の処置で安定度と応用性を拡大...続きを読む

Qトランジスタの交流増幅とバイアスの役割のことです。お願いいたします。

トランジスタの交流増幅とバイアスの役割のことです。お願いいたします。
トランジスタで交流を増幅するときに、ベースから交流を直接入力するとベースエミッタ間のダイオードで整流されてしまいサイン波の片方だけしか出力されないと
思っています。
そこで利用されるのがバイアス電圧だと理解しているのですがこれでよろしいでしょうか。
もちろん、バイアスをかけることによって、トランジスターをONにするという役割があるとは思いますが、
入力される交流が正常な波形で増幅されるためにも利用されているということでしょうか。
例えば、入力の交流が
v=sin(wt)
とします。すいません、オメガが入力できないのでwにしました。
このまま直接入力すると、電圧は+1と-1Vを行ったり来たりするので、NPNトランジスタでは
sin(wt)のプラスの部分しかベースエミッタ間に入力されない。
だけどバイアスとして例えば2Vを加えてやることによって
V=sin(wt)+2
となるので、全て電圧がプラスの状態の脈流になって整流されず
トランジスタに流し込むことができる、そして出力ではカップリングコンデンサで交流に戻して取り出すという理解をしているのですが
これで正でしょうか。
何冊か本を見たのですが、どれも当たり前のようにバイアスをかけるということは書いて有るのですが、その理由とか交流がベースエミッタ間で整流されてしまう等のことが書かれておりません。
どうぞ宜しくお願いいたします。

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そこで利用されるのがバイアス電圧だと理解しているのですがこれでよろしいでしょうか。
もちろん、バイアスをかけることによって、トランジスターをONにするという役割があるとは思いますが、
入力される交流が正常な波形で増幅されるためにも利用されているとい...続きを読む

Aベストアンサー

バイアスの考え方はそれであっています。
ただし、用語の使い方が気になります。
「交流を増幅する」というのではなく、「信号を増幅する」と言うようにしてください。
いずれも波であることには変わりないですが、交流というとエネルギーを扱う電力のイメージが強いです。
弱電機器ですのでやはり信号ですね。
信号は正弦波に限らず、矩形波などの単純波形から音声や映像などの複雑な波形までいろいろあります。

>その理由とか交流がベースエミッタ間で整流されてしまう等のことが書かれておりません。
増幅回路として考えていますので、整流されてしまうというのではなく、信号が歪む(またはピーク値がカットされてしまう)といいます。
増幅回路の設計では信号の振幅(ピークToピーク値)を決めないとバイアスや回路素子の規格なども決められません。

Q時定数について

時定数(τ=CR)について物理的意味とその物理量について調べているのですが、参考書等これといってわかりやすい説明がありません。どうが上記のことについて詳しく説明してもらえないでしょうか?

Aベストアンサー

1次応答のお話ですね。
物理の世界では「1次応答」と呼ばれる系をしばしば扱います。その系の応答の時間的尺度を表す数字が「時定数」です。物理量としては時間の次元を持ち、時間と同様に秒や分などを単位に表現できます。

直感的には「水槽から出て行く水」のアナロジーで考えると分かりやすいと思います。いま水槽があって下部に蛇口が付いているとします。蛇口をひねると水は流れ出ますが、水が流れ切ってしまうまでにどれくらい時間がかかるでしょうか。
明らかに水槽が大きいほど、そして蛇口が小さいほど時間がかかります。逆に水槽が大きくても蛇口も大きければ水は短時間で出て行きますし、蛇口が小さくても水槽が小さければこれまたすぐに水槽はからっぽになります。
すなわち水がからっぽになるまでに要する時間の目安として
 水槽の大きさ×蛇口の小ささ
という数字が必然的に出てきます。ご質問の電気回路の場合は
 コンデンサの容量→水槽の大きさ
 抵抗→蛇口の小ささ
に相当するわけで、CとRの積がその系の応答の時間的な目安を与えることはなんとなくお分かり頂けると思います。

数式を使いながらもう少し厳密に考えてみましょう。以下のようにコンデンサCと抵抗Rとからなる回路で入力電圧と出力電圧の関係を調べます。
 + C  -
○─┨┠─┬──●
↑    <  ↑
入    <R  出
力    <  力
○────┴──●

入力電圧をV_i、出力電圧をV_oとします。またキャパシタCに蓄積されている電荷をQとします。
するとまず
V_i = (Q/C) + V_o   (1)
の関係があります。
また電荷Qの時間的変化が電流ですから、抵抗Rの両端の電位差を考えて
(dQ/dt)・R = V_o   (2)
も成立します。
(1)(2)を組み合わせると
V_i = (Q/C) + (dQ/dt)・R   (3)
の微分方程式を得ます。

最も簡単な初期条件として、時刻t<0でV_i = 0、時刻t≧0でV_i = V(定数)となるステップ応答を考えます。コンデンサCは最初は帯電していないとします。
この場合(3)の微分方程式は容易に解かれて
V_o = A exp (-t/CR)   (4)
を得ます。exp(x)はご存じかと思いますがe^xのこと、Aは定数です。解き方が必要なら最後に付けておきましたので参考にして下さい。
Cは最初は電荷を蓄積していないのですから、時刻t=0において
V_i = V = V_o   (5)
という初期条件が課され、定数Aは実はVに等しいことが分かります。これより結局、
V_o = V exp (-t/CR)   (6)
となります。
時間tの分母にCRが入っているわけで、それが時間的尺度となることはお分かり頂けると思います。物理量として時間の次元を持つことも自明でしょう。CとRの積が時間の次元を持ってしまうのは確かに不思議ではありますが。
(6)をグラフにすると下記の通りです。時刻t=CRで、V_oはV/e ≒0.368....Vになります。

V_o

* ←初期値 V        
│*
│ *
│   *         最後は0に漸近する
│      *       ↓
└───┼──────*───*───*───*─→t
t=0  t=CR
   (初期値の1/e≒0.368...倍になったタイミング)


【(1)(2)の解き方】
(1)の両辺を時間tで微分する。V_iは一定(定数V)としたので
0 = (1/C)(dQ/dt) + (dV_o/dt)
(2)を代入して
0 = (1/CR) V_o + (dV_o/dt)
-(1/CR) V_o = (dV_o/dt)
- dt = dV_o (CR/V_o)
t = -CR ln|V_o| + A
ここにlnは自然対数、Aは定数である。
この式は新たな定数A'を用いて
V_o = A' exp (-t/CR)
と表せる。

1次応答のお話ですね。
物理の世界では「1次応答」と呼ばれる系をしばしば扱います。その系の応答の時間的尺度を表す数字が「時定数」です。物理量としては時間の次元を持ち、時間と同様に秒や分などを単位に表現できます。

直感的には「水槽から出て行く水」のアナロジーで考えると分かりやすいと思います。いま水槽があって下部に蛇口が付いているとします。蛇口をひねると水は流れ出ますが、水が流れ切ってしまうまでにどれくらい時間がかかるでしょうか。
明らかに水槽が大きいほど、そして蛇口が小さい...続きを読む

Qバイアスとは

IC等を用いた回路でバイアス用の抵抗が入っているのですが、このバイアスとはなんですか?これがないとどうなってしまうのでしょうか?

Aベストアンサー

バイアスとは、本来は均等で中立的な事象に、人為的に偏りを与えるような場合に使う用語です。たとえば、アンケート調査で「バイアス」といえば、予断を持たせて回答を特定の方向に誘導するような設問や説明を言います。

電気回路では、特性の改善や入出力範囲を拡大するために、回路の動作点を特定の方向に(意図的に)ずらすため、あるいは現実回路では漏洩電流などによって生じる(望ましくない)ズレを補正するために、電圧や電流を加算したりする際に「バイアス」と言います。

どのような意図でどのようにバイアスを使っているかは回路によって違いますが、もともと万一の用心として付けられているような場合を除けば、おそらく動作点がずれて、特性の悪化や動作不良がおこるでしょう。

たとえば、入力範囲が電源電圧の両端の間である素子を+15Vの単電源で使用したとします。すると、入力はグランドと+15V電源の間に限られます。このまま+-5Vの交流を入力すると、入力電圧が負になる区間では動作しません。ここで入力に+5Vの電圧を加算してやると、素子への入力は0V+から10Vになります。このかさ上げする電圧がバイアス電圧です。通常の回路では、かさ上げすると、その分だけ出力の電圧も変化しますから、そのあたりも考慮して動作点を決めます。また、入力範囲の端の方での特性が良くない場合(普通は中央部の特性が良い)は、特性の良い領域を多く使うように動作点をずらします。プッシュプル回路など、対称型の回路では、バイアスによって上下の非直線部分を重ねて直線に近づけるように使います。

バイアスとは、本来は均等で中立的な事象に、人為的に偏りを与えるような場合に使う用語です。たとえば、アンケート調査で「バイアス」といえば、予断を持たせて回答を特定の方向に誘導するような設問や説明を言います。

電気回路では、特性の改善や入出力範囲を拡大するために、回路の動作点を特定の方向に(意図的に)ずらすため、あるいは現実回路では漏洩電流などによって生じる(望ましくない)ズレを補正するために、電圧や電流を加算したりする際に「バイアス」と言います。

どのような意図でどのように...続きを読む

Q1アンペアは何ミリアンペアですか?

今理科の勉強をしていたんですけど、1アンペアは何ミリアンペアかど忘れしてしまいました。
どなたか教えて下さい!お願いします。

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ミリは1000分の1。

この際、ついでに、こんなのを勉強しちゃえ。(笑)
http://ja.wikipedia.org/wiki/SI%E6%8E%A5%E9%A0%AD%E8%BE%9E
ギガからナノまでは、暗記しておいて損はありませんよ。
(ただし、デカとデシは覚えなくてもよいと思います。)

ギガは、携帯電話や無線LANの電波の周波数(ギガヘルツ)で使われますね。
また、今、「ナノテクノロジー」という言葉が流行っていますが、
その「ナノ」は、ナノメートルのことです。

ちなみに、私は仕事で、テラからフェムトまで出会ったことがあります。


下記は長さ、すなわち、なんちゃらメートルの大きさを、例を挙げて紹介しています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E9%87%8F%E3%81%AE%E6%AF%94%E8%BC%83_%28%E9%95%B7%E3%81%95%29

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レポートを書くときに、ワードか何かで書こうと思ってるのですが、電気回路を書かないといけないんです。
電気回路を書けるフリーソフトあれば、教えてください!!

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これを使ってレポートを書いたことがあります。
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Q戻り値の意味がわかりません…

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バカくさいかもしれませんが簡単な例えをだしてみます。
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・花子は飴をもらうと、それをチョコにする役割。(できるかは別として)
・太郎は花子を呼んで飴をあげる役割。

さてこの例では太郎の飴が引数(ひきすう)になり
花子のチョコが戻り値になります。

このイメージを元に次の文を読んでみてください。

「プログラム中の関数やサブルーチンが処理を終了し
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これが戻り値の正しい定義です。
そのほかにはNo1さんのような役割指すときも、それを「戻り値」と呼んだりします。

Qトランジスタの静特性と動特性

トランジスタの静特性と動特性の違いがよくわかりません。
また、静特性と動特性との間にはどんな関係があるのですか?

「静特性」や「動特性」で調べてみても、その言葉自体が既にわかっている前提で書かれているページばかりで困っています。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

静特性とはDC特性と言われるものです。
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例えばある任意のTrについて、IC-Vbe特性やVbeの温度特性などが良い例ですね。Icが変化したらVbeはどうなるか。温度が変化したら、Vbeはどうなるか。時間は問われていません。
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Q反転増幅器の周波数特性

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Aベストアンサー

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反転増幅回路と非反転増幅回路に周波数特性に違いがあるらしいのですがそれがどういった違いなのかわかりません。わかる方いらっしゃいましたら教えてください。 http://okwave.jp/qa4078817.html

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Qトランジスタのエミッタ抵抗

こんばんは。
電気回路を勉強している初心者です。
トランジスタのエミッタ抵抗について教えてください。

エミッタ接地回路でエミッタ側に抵抗を入れると、温度特性などでトランジスタの増幅率が変わっても、実際に出力される増幅が一定に安定すると本に書いてあるのですが、理由がよくわかりません。

ネットやこのサイトでも調べてみましたがわかりません。
よろしければ教えてください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

定性的な説明は isoworld さんと outerlimit さんの通りです。
もし定量的な説明が必要であれば以下を参考にしてください。

例えば以下のようなエミッタ接地の増幅回路を考えます。

          ┌──-┬─ Vcc(電源電圧)
          │    Rc
          R1   ├─ Cout ─ Vout
          │    C
 Vin ─ Cin ─┼─ B
          │    E
         R2   │
         │   Re
   ────┴──┴───── GND

Vin が入力信号で、Vout が出力信号です。交流の入力信号に対して、カップリングコンデンサの Cin と Cout のインピーダンスはゼロと仮定します(これを考慮すると式が複雑になるため)。すると、交流の等価回路は次のようになります。

       ib →       ← β*ib
   Vin ─┬──┐  ┌──────┬─ Vout
       │    r  ↓ β*ib       │
     R1//R2  └─┤← Ve     Rc↑β*ib
       │      Re↓(1+β)*ib   │
     ─┴────┴──────┴─

r はトランジスタの入力抵抗、βはトランジスタの電流増幅率、ib はベース電流、Ve はエミッタ電圧です。
R1//R2 は R1 と R2 の並列合成抵抗で R1//R2 = R1*R2/( R1 + R2 ) です。電源ライン Vcc は一定電圧なので、交流的にはGNDと同じとみなせます。したがって入力端子から交流的に見ると R1 と R2 が並列接続されているように見えます(実は、信号源の出力抵抗が充分小さければ、この部分は全体の増幅率に影響しません)。

エミッタには、直流電圧に交流電圧(信号)が重畳した脈流的な電圧が出ていますが、この図で Ve というのは、その交流(信号)成分を意味しています。Vin もベース電圧の交流成分、Vout もコレクタ電圧の交流成分という意味です。電流も同様で、ベース電流やコレクタ電流は直流に交流が重畳した脈流ですが、図で示したのは交流成分の意味です。電流の向きは、ベース電流 ib が図の向きに増える方向に動いたときに、コレクタ電流 β*ib が図の向きに増えるということを表わしています。β*ib が増えると、コレクタ抵抗 Rc による電圧降下で、Vout は小さくなる方向(負の電圧の方向)に動くことになります。ib が増えるのは Vin が大きくなる方向(正の電圧方向)に動いているときなので、Vin と Vout の位相は互いに逆になります。

コレクタ電流は、ベース電流をβ倍したもので、エミッタ電流はベース電流とコレクタ電流の和なので、ベース、エミッタ、コレクタに流れる電流について以下の関係式が得られます。
   ベース電流  ib = ( Vin - Ve )/r --- (1)
   エミッタ電流  ( 1 + β )*ib = Ve/Re --- (2)
   コレクタ電流  β*ib = -Vout/Rc --- (3)
式(1)を式(2)に代入して ib を消せば
   ( 1 + β )*( Vin - Ve )/r = Ve/Re
これを Ve について解くと
   Ve = ( 1 + β )*Vin/( r/Re + 1 + β ) --- (4)
一方、式(1)を式(3)に代入して ib を消せば
   β*( Vin - Ve )/r = -Vout/Rc --- (5)
式(4)を式(5)に代入して Ve を消せば
   β*{ Vin - ( 1 + β )*Vin/( r/Re + 1 + β ) }/r = -Vout/Rc
  → Vout/Vin = -( β*Rc )/{ 1 + ( 1 + β )*Re } --- (6)
となります。上式の右辺の分母・分子をβで割ると
   Vout/Vin = -Rc/{ Re + ( r + Re )/β} --- (6')
となります。- がついているのは、Vin と Vout が逆相になっていることを表わしています。

トランジスタの電流増幅率 β が非常に大きいとき、式(6')の ( r + Re )/β はゼロとみなせるので
   Vout/Vin = -Rc/Re
となって、信号増幅率( Vout/Vin )はコレクタ抵抗とエミッタ抵抗の比だけで決まります(この近似式は増幅器の設計によく用いられます)。

しかしβ が非常に大きいとはみなせないとき(普通のトランジスタのβは数十~数百程度)、βの大きさによって Vout/Vin が変わります。Vout/Vinが β の変動に対してどれくらい安定しているかというのは 、式(6)をβで偏微分した「信号増幅率の変化率」で評価します。
  信号増幅率の変化率 = ∂( Vout/Vin )/∂β
                = - Rc*( r + Re )/{ r + ( 1 + β )*Re }^2 --- (7)
β が非常に大きいとき、信号増幅率はゼロに漸近しますから、βの変動に対して信号増幅率は変化しない、つまり増幅率は安定ということになります(βそのものが大きいのでβが多少変わっても影響が少ないのは当然といえば当然ですが)。

βが有限の場合、Re がもしゼロ(エミッタ抵抗がない)ならば
  信号増幅率の変化率 =- Rc/r --- (8)
となって、Rc が大きく、r が小さいほどβの変動に弱い回路になります( r は通常、数kΩで、ベース電流が大きいほど小さくなる)。式(7) を書き直すと
 信号増幅率の変化率 = ( Rc/r )*( 1 + Re/r )/{ 1 + ( 1 + β )*( Re/r ) }^2
となります。この式は分子に Re/r、分母に ( Re/r )^2 の項があるので、Re/r が大きいほど信号増幅率の変化が小さいことを表わしています(Re/r = 0 のとき式(8)になります)。

式ばかりいじっていてもピンと来ないので、数値例を紹介します。Rc = 10kΩ、β = 100、r = 5kΩ の回路で、何らかの原因でβが 50 に下がったり、200にまで大きくなったとします。すると、式(6)または式(6')を使って計算すると分かりますが、回路全体の増幅率、増幅率の変化は以下のようになります。

 ・Re = 0 の場合   増幅率 = -100(β=50)、-200(β=100)、-400(β=200)、増幅率の変化 = -50%~+100%
 ・Re = 100Ωの場合 増幅率 = -49.5(β=50)、-66.2(β=100)、-79.7(β=200)、増幅率の変化 = -25%~+20%
 ・Re = 1kΩの場合  増幅率 = -8.93(β=50)、-9.43(β=100)、-9.71(β=200)、増幅率の変化 = -5.4%~+2.9%

Re が大きいほど増幅率そのものは低下しますが、安定度が良くなることが分かると思います。なお、エミッタ抵抗に並列にコンデンサを入れた回路は、交流的にはRe が小さい回路になるので、信号増幅率は大きくできますが安定性は良くありません(直流的な動作点は安定します)。

定性的な説明は isoworld さんと outerlimit さんの通りです。
もし定量的な説明が必要であれば以下を参考にしてください。

例えば以下のようなエミッタ接地の増幅回路を考えます。

          ┌──-┬─ Vcc(電源電圧)
          │    Rc
          R1   ├─ Cout ─ Vout
          │    C
 Vin ─ Cin ─┼─ B
          │    E
         R2   │
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